Flink SQL 知其所以然（一）| source\sink

作者: 大数据羊说 | 来源:发表于2022-02-12 22:43 被阅读0次

1.序篇-本文结构

本文从以下五个小节介绍 flink sql source\sink\format 的概念、原理。

背景篇-关于 sql
定义篇-sql source、sink
实战篇-sql source、sink 的用法
原理剖析篇-sql source、sink 是怎么跑起来的
总结与展望篇

2.背景篇-关于 sql

关于 flink sql 的定位。

先聊聊使用 sql 的原因，总结来说就是一切从简。

SQL 属于 DSL
SQL 易于理解
SQL 内置多种查询优化器
SQL 稳定的语言
SQL 易于管理
SQL 利于流批一体

目前 1.13 版本的 SQL 已经集成了大量高效、易用的 feature。本系列教程也是基于 1.13.1。

3.定义篇-sql source、sink

本文会简单介绍一些 flink sql 的 source、sink 的定义、使用方法，会着重切介绍其对应框架设计和实现。详细解析一下从一条 create table sql 到具体的算子层面的整个流程。

Notes：
在 flink sql 中，source 有两种表，一种是数据源表，一种是数据维表。
数据源表就是有源源不断的数据的表。比如 mq。
数据维表就是用来给某些数据扩充维度使用的。比如 redis，mysql，一般都是做扩容维度的维表 join 使用。

本节主要介绍数据源表，数据维表的整个流程和数据源表几乎一样。下文中的 source 默认都为数据源表。

首先在介绍 sql 之前，我们先来看看 datastream 中定义一个 source 需要的最基本的内容。

source、sink 的 connector 连接配置信息。比如 datastream api kafka connector 的 properties，topic 名称。
source、sink 的序列化方式信息。比如 datastream api kafka connector 的 DeserializationSchema，SerializationSchema。
source、sink 的字段信息。比如 datastream api kafka connector 的序列化或者反序列化出来的 Model 所包含的字段信息。
source、sink 对象。比如 datastream api kafka connector source 对应的具体 java 对象。

sql 中的 source、sink 所包含的基本点其实和 datastream 都是相同的，可以将 sql 中的一些语法给映射到 datastream 中来帮助快速理解 sql：

sql source、sink connector\properties。可以对应到 datastream api kafka connector 的 properties，topic 名称。
sql source、sink format。可以对应到 datastream api kafka connector 的 DeserializationSchema，SerializationSchema。
sql source、sink field。可以对应到 datastream api kafka connector 的序列化或者反序列化出来的 Model 所包含的字段信息。
sql source、sink catalog_name、db_name、table_name。可以对应到 datastream api kafka connector source 对应的具体 java 对象。
sql 本身的特性。比如某些场景下需要将 sql schema 持久化，会用到 hive catalog 等，这个可以说是 sql 目前比 datastream api 多的一个特性。但是仔细想想，其实 datastream 也能够拓展这样的能力，其实就是将某个 datastream 注册到外部存储中（可以，但对 datastream 来说没必要）。

来看看官网的文档 create table schema 的描述，可以发现就是围绕着上面这五点展开的。 https://ci.apache.org/projects/flink/flink-docs-release-1.13/zh/docs/dev/table/sql/create/#create-table。

CREATE TABLE [IF NOT EXISTS] [catalog_name.][db_name.]table_name
  (
    { <physical_column_definition> | <metadata_column_definition> | <computed_column_definition> }[ , ...n]
    [ <watermark_definition> ]
    [ <table_constraint> ][ , ...n]
  )
  [COMMENT table_comment]
  [PARTITIONED BY (partition_column_name1, partition_column_name2, ...)]
  WITH (key1=val1, key2=val2, ...)
  [ LIKE source_table [( <like_options> )] ]
   
<physical_column_definition>:
  column_name column_type [ <column_constraint> ] [COMMENT column_comment]
  
<column_constraint>:
  [CONSTRAINT constraint_name] PRIMARY KEY NOT ENFORCED

<table_constraint>:
  [CONSTRAINT constraint_name] PRIMARY KEY (column_name, ...) NOT ENFORCED

<metadata_column_definition>:
  column_name column_type METADATA [ FROM metadata_key ] [ VIRTUAL ]

<computed_column_definition>:
  column_name AS computed_column_expression [COMMENT column_comment]

<watermark_definition>:
  WATERMARK FOR rowtime_column_name AS watermark_strategy_expression

<source_table>:
  [catalog_name.][db_name.]table_name

<like_options>:
{
   { INCLUDING | EXCLUDING } { ALL | CONSTRAINTS | PARTITIONS }
 | { INCLUDING | EXCLUDING | OVERWRITING } { GENERATED | OPTIONS | WATERMARKS } 
}[, ...]

结合我们刚刚说的 sql source、sink 中主要包含 5 点解释一下：

CREATE TABLE [IF NOT EXISTS] -- sql source、sink catalog_name、db_name、table_name
(
   -- sql source、sink field 字段信息
) WITH 
( 
   -- sql source、sink connector\properties 连接配置
   -- sql source、sink format
)

来个 kafka source 的例子：

CREATE TABLE KafkaTable ( -- sql source、sink catalog_name、db_name、table_name
  `f0` STRING, -- sql source、sink 的字段信息
  `f1` STRING
) WITH (
  'connector' = 'kafka', -- sql source、sink 的 connector 连接配置
  'topic' = 'topic', -- sql source、sink 的 connector 连接配置
  'properties.bootstrap.servers' = 'localhost:9092', -- sql source、sink 的 connector 连接配置
  'properties.group.id' = 'testGroup', -- sql source、sink 的 connector 连接配置
  'format' = 'json' -- sql source、sink 的序列化方式信息
)

其对应的 datastream 写法如下：

Properties properties = new Properties();
properties.setProperty("bootstrap.servers", "localhost:9092");
properties.setProperty("group.id", "testGroup");

DeserializationSchema<Tuple2<String, String>> d = new AbstractDeserializationSchema<Tuple2<String, String>>() {

    @Override
    public Tuple2<String, String> deserialize(byte[] message) throws IOException {
        return json 解析为 tuple2 此处省略;
    }
};

DataStream<Tuple2<String, String>> stream = env
        .addSource(new FlinkKafkaConsumer<>("topic", d, properties));

将 sql source 和 datastream source 的组成部分互相映射起来可以得到下图，其中 datastream、sql 中颜色相同的属性互相对应：

2.png

可以看到，将所有的 sql 关系代数都映射到 datastream api 上，会有助于我们快速理解。

4.实战篇-sql source、sink 的用法

直接见官网 Table API Connectors。已经描述的非常详细了，本文侧重原理，所以此处不多赘述。

https://ci.apache.org/projects/flink/flink-docs-release-1.13/docs/connectors/table/overview/

https://www.alibabacloud.com/help/zh/faq-list/62516.htm?spm=a2c63.p38356.b99.212.3c1a1442x9AY7m

5.原理剖析篇-sql source、sink 是怎么跑起来的

关于 sql 具体工作原理可以参考 https://zhuanlan.zhihu.com/p/157265381。

3.jpeg

但是很多刚接触 flink sql 的读者看完这篇文章，会感觉到还没准备好就来了这么大一堆密集的信息。那么

我到底应该从哪里看起呢？
能理解 sql 会映射到具体的算子执行。但是它具体是怎么对应到具体的算子上的呢？

博主会从以下两个角度去帮大家理清楚整个流程。

先抛开 flink sql、datastream 提供的能力来说，如果你在自己的一个程序中去接入一个数据源，你最关心的是哪些组件？

答：消费一个数据源最重要的就是 connector（负责链接外部组件，消费数据） + serde（负责序列化成 flink 认识的变量形式）。

结合第一个问题 + 一段简单的 flink sql 代码来看看 flink 是怎么去做这件事情的。

代码（基于 1.13.1）：

public class KafkaSourceTest {

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.createLocalEnvironmentWithWebUI(new Configuration());

        env.setParallelism(1);

        EnvironmentSettings settings = EnvironmentSettings
                .newInstance()
                .useBlinkPlanner()
                .inStreamingMode().build();

        StreamTableEnvironment tEnv = StreamTableEnvironment.create(env, settings);

        tEnv.executeSql(
                "CREATE TABLE KafkaSourceTable (\n"
                        + "  `f0` STRING,\n"
                        + "  `f1` STRING\n"
                        + ") WITH (\n"
                        + "  'connector' = 'kafka',\n"
                        + "  'topic' = 'topic',\n"
                        + "  'properties.bootstrap.servers' = 'localhost:9092',\n"
                        + "  'properties.group.id' = 'testGroup',\n"
                        + "  'format' = 'json'\n"
                        + ")"
        );

        Table t = tEnv.sqlQuery("SELECT * FROM KafkaSourceTable");

        tEnv.toAppendStream(t, Row.class).print();

        env.execute();
    }
}

可以看到这段代码很简单，就是创建一个数据源表之后 select 数据 print。

通过上面这段 sql 映射出的 transformations 中发现，其实 flink 中最关键变量的也就是我们刚刚提出的第一个问题中的那两点：

sql source connector 是 FlinkKafkaConsumer
sql source format 是 JsonRowDataDeserializationSchema

19.png

所以我们就可以从下面这三个方向（多出来的一个是配置信息）的问题去了解具体是怎么对应到具体的算子上的。

sql source connector：用户指定了 connector = kafka，flink 是怎么自动映射到 FlinkKafkaConsumer 的？
sql source format：用户指定了 format = json，字段信息，flink 是怎么自动映射到 JsonRowDataDeserializationSchema，以及字段解析的？
sql source properties：flink 是怎么自动将配置加载到 FlinkKafkaConsumer 中的？

5.1.connector 怎样映射到具体算子？

引用官网图：

[图片上传失败...(image-b90966-1644676939162)]

Notes：
其中 LookupTableSource 为数据维表。

先说下结论，再跟一遍源码。

结论：

MetaData：将 sql create source table 转化为实际的 CatalogTable、翻译为 RelNode
Planning：创建 RelNode 的过程中使用 SPI 将所有的 source（DynamicTableSourceFactory）\sink（DynamicTableSinkFactory）工厂动态加载，获取到 connector = kafka，然后从所有 source 工厂中过滤出名称为 kafka + 继承自 DynamicTableSourceFactory.class 的工厂类 KafkaDynamicTableFactory，使用 KafkaDynamicTableFactory 创建出 KafkaDynamicSource
Runtime：KafkaDynamicSource 创建出 FlinkKafkaConsumer，负责 flink 程序实际运行。

源码：

debug 代码，既然创建的是 FlinkKafkaConsumer，那我们就将断点打在 FlinkKafkaConsumer 的构造函数中。

5.png

如图可以发现当 debug 到当前断点时，已经进入 FlinkKafkaConsumer source 的创建阶段了，执行到这里的时候已经是完成了 sql connector 和具体实际 connector 的映射了。那么 connector 怎样映射到具体算子的过程呢？

我们往前回溯一下，定位到 CatalogSourceTable 中的 82 行（源码基于 1.13.1），发现 tableSource 已经是 KafkaDynamicSource，因此可以确定就是这一行代码将 connector = kafka 映射到 FlinkKafkaConsumer 的。

6.png

可以发现这段代码将包含了所有 sql create source table 中信息的 catalogTable 变量传入了。

7.png

进入这个方法后，可以看到是使用了 FactoryUtil 创建了 DynamicTableSource。

8.png

进入 FactoryUtil.createTableSource 后可以看到，就是最重要的两步操作。

先获取 kafka 工厂对象。
使用 kafka 工厂对象创建出 kafka source。

9.png

进入 FactoryUtil.getDynamicTableFactory 后：

flink 是使用了 SPI 机制动态（SPI 机制天然插件化）的加载到了所有继承了 Factory 的工厂实例。通过截图可以看到有好多 source\sink\format Factory。关于 SPI 可以参考 https://www.jianshu.com/p/3a3edbcd8f24
通过 connector = kafka + DynamicTableSourceFactory.class 的标识去过滤出 KafkaDynamicTableFactory。

10.png

11.png

12.png

然后 KafkaDynamicTableFactory.createDynamicTableSource 去创建对应的 source。

13.png

可以看到 KafkaDynamicTableFactory.createDynamicTableSource 中调用 KafkaDynamicTableFactory.createKafkaTableSource 来创建 KafkaDynamicSource。

基本上整个创建 Source 的流程就结束了。

5.2.format 怎样映射到具体 serde？

结论：

MetaData：和 connector 都一样
Planning：format 是在创建 RelNode 的过程中，使用 KafkaDynamicTableFactory 创建出 KafkaDynamicSource 时，通过 SPI 去动态过滤出 format = json 并且继承自 DeserializationFormatFactory.class 的 format 工厂类 JsonFormatFactory。
Runtime：KafkaDynamicSource 创建出 FlinkKafkaConsumer 时，实例化 serde 即 JsonRowDataDeserializationSchema，负责 flink 程序实际运行时的反序列化。

源码：

15.png

KafkaDynamicTableFactory.createDynamicTableSource 中获取反序列化 schema 定义。

16.png

17.png

18.png

flink 是使用了 SPI 机制动态（SPI 机制天然插件化）的加载到了所有继承了 Factory 的 format 工厂实例。
通过 format = json 的标识并且继承自 DeserializationFormatFactory.class 去过滤出 JsonFormatFactory。

20.png

5.3.其他配置属性怎么加载？

结论：

在 KafkaDynamicTableFactory 创建 KafkaDynamicTable 的过程中初始化。

源码：

14.png

21.png

6.总结与展望篇

本文作为 flink sql 知其然系列的第一节，基于 1.13.1 版本 flink 介绍了 flink sql 的 source\sink\format 从 sql 变为可执行代码的原理。带大家过了一下源码。希望可以喜欢。

下节预告：flink sql 自定义 source\sink。

Flink SQL 知其所以然（一）| source\sink

1.序篇-本文结构

2.背景篇-关于 sql

3.定义篇-sql source、sink

4.实战篇-sql source、sink 的用法

5.原理剖析篇-sql source、sink 是怎么跑起来的

5.1.connector 怎样映射到具体算子？

5.2.format 怎样映射到具体 serde？

5.3.其他配置属性怎么加载？

6.总结与展望篇

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